數(shù)字PWM直流調(diào)速設(shè)計(jì)

1、內(nèi) 容 摘 要本文是基于對直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、減速、加速、停止的五大操作。并實(shí)現(xiàn)電路的仿真并設(shè)計(jì)實(shí)際電路進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用STC89C5單片機(jī)作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)通過PWM波對電動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的改變和測量；由命令輸入模塊、H型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，不斷給電路發(fā)送PWM波形，完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.是通過H型驅(qū)動電路，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的

2、整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。索引關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速； H橋驅(qū)動電路； LC顯示器； 51單片機(jī)目 錄第一章 緒論11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)背景11.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1第二章 數(shù)字PWM直流調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12.1 直流電動機(jī)調(diào)速方法12.2旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)2第三章 數(shù)字PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)33.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33.2 SG3525引腳各端子功能4第四章 數(shù)字PWM直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)54.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路54.2 PWM脈寬控制電路6后記8參考文獻(xiàn)：9數(shù)字PWM直流調(diào)速系

3、統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的通過對一個實(shí)用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識，提高工程意識和實(shí)踐技能，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決實(shí)際問題的初步應(yīng)用能力。近年來，科技發(fā)展的越來越快，直流電機(jī)具有良好的起動特性和調(diào)速特性。其中調(diào)速平滑，方便，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，能承受很大負(fù)載，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PWM波調(diào)速的3 方法的發(fā)現(xiàn)，以及溫度漂移等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，不僅簡化了電路還實(shí)現(xiàn)了通過電力電子器件改變開關(guān)頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有抗干擾能力。隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的

4、發(fā)展，科技的進(jìn)步，在很多場合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。1.2 設(shè)計(jì)背景在電氣行業(yè)中，隨著各項(xiàng)技術(shù)水平的不斷提高，使得傳統(tǒng)工藝有了深層次的提高，對人類的生產(chǎn)與生活，產(chǎn)生了深刻且深遠(yuǎn)的影響，已經(jīng)與我們息息相關(guān)。當(dāng)需要良好的啟動，制動性能，并需要大范圍內(nèi)平滑調(diào)速時，直流電機(jī)是一個很好地選擇非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)大多數(shù)都為早減小模擬信號控制間相互干擾，減小模擬信號產(chǎn)生溫漂等不穩(wěn)定因素。它的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容近年來，科技發(fā)展的越來越快，直流電機(jī)具

5、有良好的起動特性和調(diào)速特性。其中調(diào)速平滑，方便，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，能承受很大負(fù)載，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PWM波調(diào)速的3 方法的發(fā)現(xiàn)，以及溫度漂移等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，不僅簡化了電路還實(shí)現(xiàn)了通過電力電子器件改變開關(guān)頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有抗干擾能力。隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，在很多場合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。第二章 數(shù)字PWM直流調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 直流電動機(jī)調(diào)速方法直流電動機(jī)的調(diào)速方法有種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U

6、。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。（2）改變電動機(jī)主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)

7、速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流

8、裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。2.2旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但

9、是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。（2）晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性

10、負(fù)載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)

11、制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。第三章 數(shù)字PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)3.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖2-1（a）所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機(jī)電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。電力

12、晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)時，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為 式中，PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間 式中，R，L電動

13、機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動機(jī)的反電動勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機(jī)的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運(yùn)行。V

14、T1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2-2（b）所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機(jī)在電動運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減

15、小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機(jī)制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和導(dǎo)通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流

16、波型圖2-2（c）。反向電流的制動作用使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。3.2 SG3525引腳各端子功能SG3525采用16端雙列直插DIP封裝，各端子功能介紹如下:1腳:INV. INPUT(反相輸入端):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo)稱值為80db，其大小由反饋或輸出負(fù)載來決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1. 5V-5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負(fù)反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。2腳:NI. INPUT (同相輸入端):此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取得2.

17、 5V的基準(zhǔn)比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。3腳:SYNC(同步端):為外同步用。需要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。4腳:OSC. OUTPUT(同步輸出端):同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。但幾個芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。如不需多個芯片同步工作時，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0. 6V到3. 5V.5腳:Cr(震蕩電容端):震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地

18、端。其取值范圍為0.001,u F到0. 1 u F。正常工作時，在Cr兩端可以得到一個從0.6V到3. 5V變化的鋸齒波。第四章 數(shù)字PWM直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器TL082作為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路，如圖3.1所示，給定電壓由正負(fù)10V電源加在兩個電位器上構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電位器R11、R22即可調(diào)節(jié)給定電壓的大小，在經(jīng)過電壓跟隨器加到速度調(diào)節(jié)器上。圖中穩(wěn)壓二極管D3、D4配合構(gòu)成限幅器限制ASR輸出的最大電壓，保證了系統(tǒng)在啟動過程中電機(jī)能夠在最大轉(zhuǎn)矩下安全的恒流啟動。實(shí)現(xiàn)飽和非線性控制。圖4-1電流環(huán)調(diào)節(jié)器硬件電路是如圖12所示的PI調(diào)節(jié)器。同速度

19、調(diào)節(jié)器，D1、D2構(gòu)成限幅電路，當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起到堵轉(zhuǎn)以及過流保護(hù)作用。ASR的輸出作為給定信號加在端，反饋的電流信號加在UiF端。圖4-2電流檢測部分采用霍爾傳感器檢測出主回路中的電流，送入電流調(diào)節(jié)器的電流反饋輸入端。通過調(diào)節(jié)電位器R20即可調(diào)節(jié)的值到適當(dāng)?shù)拇笮?。電流檢測電路如圖4.2所示。圖4-34.2 PWM脈寬控制電路如圖4.3所示為PWM脈寬控制電路，控制電壓Uc控制SG3524輸出兩路帶死區(qū)互補(bǔ)的PWM波，通過控制電壓Uc的大小控制占空比的大小。然后一路PWM波連接U5的HIN和U7的LIN，另一路PWM波其通過SN74LS04反相連接U7的LIN和

20、U5的HIN，這樣就共同通過一片SG3524驅(qū)動兩路半橋電路，實(shí)現(xiàn)全橋驅(qū)動。 圖4-4SG3524介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：SG3524的基準(zhǔn)源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源,它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM比較器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓，基準(zhǔn)電壓振蕩器先產(chǎn)生0.6V-3.5V的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中MOSFET的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞T、CT值即可確定振蕩頻率。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定,其為:f=1.15/RTCT。由初始條件知，開關(guān)頻率為10kHz，可以選擇RT=12k ，CT=0.01uF。兩路輸出單獨(dú)使用時，輸出脈沖占空比為0%45%，脈沖頻率為振蕩頻率的一半。兩路輸出并聯(lián)使用才能使輸出脈沖占空比為0%90%，脈沖頻率為振蕩頻率。IR2110介紹與電路參數(shù)設(shè)定如下：MOSFET驅(qū)動采用了集成芯片IR2110，IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V，du/dt=50V/ns，在15V